IPIA C.A. DALLA CHIESA – OMEGNA
PROGETTO ALTERNANZA SCUOLA – LAVORO classi 4° e 5° MANUTENTORI
PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI
RISPARMIO ENERGETICO
ENERGIA DAL SOLE
PARLIAMO DI
• Il sole
• L’energia solare
• Radiazione solare al suolo
• Misura della radiazione solare
IL SOLE
Il Sole è la stella madre del sistema solare, attorno alla quale orbitano gli otto pianeti principali, i pianeti nani, i loro satelliti,
innumerevoli altri corpi minori e la polvere
diffusa per lo spazio, che forma il mezzo
interplanetario.
• Raggio: 695.800 km
• Diametro: 1.391.600 km
• Distanza dalla Terra: 149.600.000 km
• Temperatura della superficie: 5.778 °K
• Massa: 1,98930 kg
ENERGIA PRODOTTA DAL SOLE
• Ogni secondo nel nucleo della nostra
stella 600 milioni di tonnellate di idrogeno vengono convertite in 595,7 milioni di
tonnellate di elio.
• Dopo questa trasformazione, detta fusione nucleare, 4,26 milioni di tonnellate di
idrogeno (pari allo 0,75%) sembrano esser state perse;
• in realtà questa massa mancante si è
trasformata direttamente in energia, ossia in radiazione elettromagnetica, secondo l'equazione massa-energia di Albert
Einstein:
E=mc²
• L'energia così generata, in 1 secondo è pari a
3,831026 joule (383 yottajoule, YJ, con Y = 1024), equivalente a 9,151010 Mton di tritolo: una quantità di energia impensabile da riprodurre sulla Terra.
• Per capire l'enormità di questa quantità di energia, che equivale a 106.400.000.000 terawattora (TWh), il solo dato che può fungere da termine di paragone è la produzione mondiale di energia elettrica, che nel 2012 è stata di circa 22.500 TWh.
• Con tale ritmo produttivo, per eguagliare l'energia prodotta dal Sole in 1 secondo tutti gli impianti di produzione di energia elettrica del nostro pianeta dovrebbero funzionare a pieno regime per più di 4 milioni di anni (ca. 4.525.000 anni).
• Considerando che il sole ha una massa di 2054 tonnellate e supponendo che la
perdita di massa rimanga sempre di
4,26106 tonnellate al secondo, è facile calcolare che in un miliardo di anni la perdita di massa sarà di 1,341023
tonnellate, pari a circa 22 volte la massa della Terra.
• Sembra una quantità enorme, ma
rappresenta molto meno di un millesimo
della massa del sole (circa lo 0,06 per
mille).
ENERGIA EMESSA DAL SOLE
• La radiazione viene emessa
principalmente sotto forma di luce visibile, anche se non mancano emissioni in tutte le lunghezze d'onda dello spettro
elettromagnetico.
RADIAZIONE SOLARE AL SUOLO
• La radiazione solare è la fonte primaria di energia sulla Terra.
• La quantità di energia luminosa che giunge per ogni unità di tempo su ogni unità di superficie esposta direttamente alla radiazione solare prende il nome di costante solare ed il suo valore è approssimativamente di 1370 W/m².
• Moltiplicando questo valore per la superficie
dell'emisfero terrestre esposto al Sole si ottiene una potenza maggiore di 50 milioni di gigawatt (GW).
• Tuttavia, poiché la luce solare subisce
un'attenuazione nell'attraversare l'atmosfera terrestre, alla superficie del nostro pianeta il valore della densità di potenza scende a circa 1000 W/m², raggiunto in condizioni di tempo sereno quando il Sole è allo zenit (ovvero i
suoi raggi sono perpendicolari alla superficie).
RADIAZIONE UTILE AL SUOLO
• Tenendo poi in conto il fatto che la Terra è uno sferoide in rotazione, l'insolazione
media varia a seconda dei punti sulla
superficie e, alle latitudini europee, è di
circa 200 W/m².
In Italia la potenza specifica solare oscilla mediamente da 900 a 1100
W/m².
MISURA DELLA RADIAZIONE SOLARE
• La radiazione solare può essere facilmente misurata mediante uno
specifico strumento detto piranometro o
solarimetro.
SFRUTTAMENTO DELLA RADIAZIONE SOLARE
E’ possibile sfruttare tecnicamente la
radiazione solare al suolo per produrre
• energia termica mediante pannelli solari termici
• energia elettrica mediante pannelli
fotovoltaici
Si possono convenientemente sfruttare sia la radiazione diretta che la radiazione
diffusa, benché quest’ultima abbia
evidentemente un rendimento minore
Nei calcoli di progetto occorre tener conto del percorso effettivo del sole nella località di installazione dell’impianto, ricordando che i valori precedentemente indicati si
verificano sol nelle condizioni migliori, cioè
con incidenza dei raggi, rispetto al piano di
captazione, di 90°
Il sole percorre nel cielo un’orbita la cui
posizione varia con le stagioni, tanto più
quanto più aumenta la latitudine (distanza
dall’equatore misurata in gradi) del luogo
L’altezza del sole, misurata in gradi, rispetto al piano orizzontale, si indica con γ (gamma) e si definisce elevazione
L’inclinazione orizzontale della posizione del sole
rispetto alla perpendicolare al piano di captazione, misurata in gradi, si indica con α (alfa) e si
definisce azimut
L’inclinazione del piano di captazione rispetto
all’orizzontale, misurata in gradi, si indica con β (beta) e si difinisce tilt del pannello
POSIZIONE DEI CAPTATORI
• I pannelli di captazione presentano il massimo rendimento quando assumono una posizione che permetta l’incidenza dei raggi solari 90°, tanto sulla verticale (elevazione) che
sull’orizzontale (azimut)
• Tenuto conto del percorso del sole nella
giornata e nelle diverse stagioni, la posizione dei pannelli fissi deve essere calcolata con valori di tilt e azimut del pannello (αa) tali da fornire il
massimo rendimento possibile
Per ottenere ciò si
deve far riferimento alle tabelle elaborate per le varie zone del territorio nazionale
In alternativa è possibile installare pannelli
“intelligenti” cioè dotati di dispositivi di inseguimento del sole che permettano il loro continuo orientamento nella
posizione ottimale
POSIZIONAMENTO DEI PANNELLI
Il corretto posizionamento dei pannelli comporta la misurazione di angoli
– Orizzontali: attraverso bussole – Verticali: attraverso inclinometri
IL PROBLEMA DELLE OMBRE
Strutture artificiali o elementi naturali
possono proiettare la loro ombra sui
pannelli, riducendone la produzione di
energia
ombre dovute a elementi naturali
o architettonici
In particolare va evitato l’ombreggiamento
reciproco dei pannelli posizionati a schiera
Riduzione della produzione di energia a causa dell’ombreggiamento occasionale dei pannelli
Del tutto imponderabile, naturalmente, è l’effetto di ombreggiamento dovuto alla nuvolosità del cielo.
Si possono solo fare valutazioni statistiche riguardo alla media annua di giornate
nuvolose del luogo di installazione sulla
base delle osservazioni meteorologiche
POTENZA PRODUCIBILE DA UN IMPIANTO SOLARE
• POTENZA DI PICCO Pp è il valore massimo che l’impianto può produrre nelle condizioni
ottimali di funzionamento; si ricava dai calcoli di progetto
• POTENZA MEDIA Pm è il valore medio
effettivamente prodotto dall’impianto; si ricava dalla misurazione dell’energia realmente
prodotta in un determinato periodo di tempo rapportata al tempo stesso
• Le potenze sono espresse in Watt o relativi multipli (kW, MW, GW etc.)
